In the search of new Diels-Alder reactions with inverse electron demand to create a biootogonal ligation in imaging of drugs and biomolecules

Chemia bioortogonalna to prężnie rozwijająca się dziedzina z pogranicza chemii organicznej i biologii. Głównym zastosowaniem reakcji ligacji wykorzystywanych w laboratoriach jest badanie metabolizmu leków, różnych biocząsteczek oraz zastosowanie do określania dystrybucji leków w komórce. Celem bioortogonalnej ligacji jest znakowanie obrazowanych cząsteczek chemicznym reporterem. Reakcje te oprócz wykorzystania wody jako rozpuszczalnika, muszą zachodzić w warunkach fizjologicznych oraz powinny być chemoselektywne, natomiast substraty nie powinny reagować z utleniaczami i aktywnymi aminokwasami znajdującymi się w komórce biologicznej.1-Oksa-1,3-butadieny to związki reprezentujące grupę α,β-nienasyconych związków karbonylowych. 1-Oksa-1,3-butadieny zawierające podstawniki elekronoakceptorowe cechują się niedoborem elektronów, dzięki temu są wykorzystywane do reakcji Dielsa-Aldera z odwróconym zapotrzebowaniem elektronowym. Dodatkową cechą reakcji hetero-Dielsa-Aldera z 1-oksa-1,3-butadienami oprócz chemoselektywności jest także wysoka regioselektywność.Pierwszym etapem była synteza heterodienu wyposażonego w znacznik (aktywną pochodną fluoresceiny) oraz dienofila z przyłączonym badanym obiektem - paklitakselem. Drugi etap to przeprowadzenie reakcji hetero-Dielsa-Aldera syntezowanego wcześniej heterodienu z dienofilem w warunkach laboratoryjnych. Końcowym etapem było potwierdzenie przydatności przeprowadzonej reakcji Dielsa-Aldera poprzez obrazowanie leku przy pomocy pochodnej fluoresceiny w komórce biologicznej z zastosowaniem mikroskopu fluorescencyjnego.Na drodze wieloetapowych syntez otrzymano najpierw właściwe 1-oksa-1,3-butadieny – heterodieny. Z otrzymanych heterodienów wybrano jeden i przeprowadzono cykloaddycję w kolbie reakcyjnej i komórkach.

Bioorthogonal chemistry is a dynamically developing field of science on the border of organic chemistry and biology. The main applications of ligation reactions used in laboratories are the study of drug and various biomolecules metabolism and application to determine distribution of drugs in the cell. The purpose of bioorthogonal ligation is to label the imaged molecules with a chemical reporter. In addition to using water as a solvent, these reactions must occur under physiological conditions and should be chemoselective, while the substrates should not react with oxidants and active amino acids present in the biological cell.1-Oxa-1,3-butadienes are compounds which are representing a group of α,β-unsaturated carbonyl compounds. 1-Oxa-1,3-butadienes containing electron withdrawing substituents are characterized by electron deficiency. Due to this fact they are used in the Diels-Alder reaction with inverse electron demand. Beyond the chemoselectivity, an additional feature of hetero-Diels-Alder reaction with 1-oxa-1,3-butadienes is also high regioselectivity.The first stage was the synthesis of a heterodiene, equipped with a marker (an active derivative of fluorescein) and a dienophile with the tested object attache (paclitaxel). The second stage was to carry out the hetero-Diels-Alder reaction of previously synthesized heterodiene with dienophile under laboratory conditions. The final step was to confirm utility of the Diels-Alder reaction by imaging the drug with a fluorescein derivative in a biological cell using a fluorescence microscope.The proper 1-oxa-1,3-butadiene (heterodiene) was firstly obtained by multistage syntheses. One of the obtained heterodienes was selected and cycloaddition was performed in the reaction flask and cells.